生態(tài)學(xué)尺度及尺度推繹方法綜述

1、 生態(tài)學(xué)尺度及尺度推繹方法綜述摘要： 通過適宜的空間和時間尺度可以揭示和把握復(fù)雜的生態(tài)學(xué)規(guī)律，因此尺度問題日益受到生態(tài)學(xué)家的重視。本文描述了生態(tài)學(xué)尺度及尺度推繹的基本概念，論述了尺度推繹的特點(diǎn)，重點(diǎn)闡述了尺度推繹的方法和途徑，分析了推繹結(jié)果的不確定性，并提出推繹過程中需注意的問題。關(guān)鍵詞： 生態(tài)學(xué)； 尺度； 尺度推繹20世紀(jì)60年代，生態(tài)學(xué)家就注意到了尺度問題的重要性，對于尺度和尺度推繹的觀點(diǎn)開始于20世紀(jì)80年代中期，現(xiàn)在普遍深入到生態(tài)學(xué)的各個領(lǐng)域，并且在其他的自然社會科學(xué)中對于尺度和尺度推繹的關(guān)注也有同樣的趨勢。尺度研究的根本目的在于通過適宜的空間和時間尺度來揭示和把握復(fù)雜的生態(tài)學(xué)規(guī)律。1

2、 尺度的概念不同學(xué)者分別從不同角度對尺度概念進(jìn)行了表述。尺度指現(xiàn)象的時空范疇，尺度緯包括時間、空間和組織水平。根據(jù)鄔建國，廣義地講，尺度（scale）是指在研究某一物體或現(xiàn)象時所采用的空間或時間單位，同時又可指某一現(xiàn)象或過程在空間和時間上所涉及的范圍和發(fā)生的頻率。前者是從研究者的角度來定義尺度，而后者則是根據(jù)所研究的過程或現(xiàn)象的特征來定義尺度。尺度可分為空間尺度和時間尺度，此外，組織尺度（organizational scale)是指在由生態(tài)學(xué)組織層次（如個體、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)和景觀等）組成的等級系統(tǒng)中的相對位置（如種群尺度、景觀尺度等）。具體地說，生態(tài)尺度首先應(yīng)該包括面積或時間間隔，即規(guī)

3、?；蚍龋╡xtent），即研究對象在空間或時間上的持續(xù)范圍或長度，包括空間幅度和時間幅度。其次是面積和時間間隔都可以進(jìn)一步劃分為最小面積和最短時間間隔，最小面積或最短時間間隔被稱為粒度（grain）或分辨率（resolution）。例如，野外測量生物量的取樣時間間隔(如一個月或半個月取1次)，某一干擾事件發(fā)生的頻率，或模擬的時間間隔6，是時間粒度的例子。空間粒度如樣方、像元。地理學(xué)和地圖學(xué)中的比例尺是分析尺度。在生態(tài)學(xué)中，尺度的定義顯然不同于比例尺。大尺度（或粗尺度，coarse scale）是指大空間范圍或時間幅度，往往對應(yīng)于小比例尺、低分辨率；而小尺度（或細(xì)尺度，fine scale）則

4、常指小空間范圍或短時間，往往對應(yīng)于大比例尺和高分辨率，盡管情況可能并不總是如此。有關(guān)尺度在文獻(xiàn)中經(jīng)常被討論的三個有特色又相關(guān)的論點(diǎn)是：特征尺度(characteristic scales)、尺度效應(yīng)（scale effects）和尺度推繹(scaling)。尺度推繹指不同時空尺度或組織層次之間的信息轉(zhuǎn)換。下面將作詳細(xì)介紹。2 尺度推繹的概念由于空間異質(zhì)性和時空變異性在自然界中的廣泛存在，大尺度的信息特征值并非是若干小尺度值的簡單疊加，而小尺度的信息特征值也不能簡單的通過對大尺度值進(jìn)行插值或分解得到，常需借助各種尺度轉(zhuǎn)換途徑與方法來分析尺度轉(zhuǎn)換過程中的非線性問題，建立不同時空尺度間的定量轉(zhuǎn)換關(guān)系

5、。尺度推繹是指把某一尺度上所獲得的信息和知識擴(kuò)展到其他尺度上，或者通過在多尺度上的研究而探討生態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)和功能跨尺度特征的過程，簡言之，即為跨尺度信息轉(zhuǎn)換。近幾十年來，隨著宏觀生態(tài)學(xué)、景觀生態(tài)學(xué)的發(fā)展和復(fù)雜系統(tǒng)研究的深入，尺度推繹研究也在生態(tài)學(xué)領(lǐng)域取得了長足的發(fā)展，并形成了相應(yīng)的理論、方法與技術(shù)，尺度推繹研究逐漸成為了現(xiàn)代地學(xué)、生態(tài)學(xué)研究中的熱點(diǎn)問題之一，是生態(tài)學(xué)理論和應(yīng)用的核心。按照尺度推繹的方向不同，分為尺度上推（scaling up）和尺度下推（scaling down）。尺度上推是指將小尺度的信息推繹到大尺度上的過程，是一種信息的聚合(aggregation)； 尺度下推是將大尺度上的信

6、息推繹到小尺度上的過程，是一種信息的分解(dis-aggregation)。3 尺度推繹的特點(diǎn)尺度推繹研究的復(fù)雜性，第一，在不同的時間和空間尺度上占主導(dǎo)地位的格局和過程是不同的，因此，在單一尺度上的觀測結(jié)果只能反映該觀測尺度上的格局和過程，當(dāng)描述或解釋同時涉及幾個層次或尺度的現(xiàn)象時，問題的復(fù)雜性就必然要增加。第二，由于系統(tǒng)的空間異質(zhì)性、非線性關(guān)系、尺度效應(yīng)和不同尺度上的正負(fù)反饋機(jī)制等因素而決定其尺度推繹研究過程的復(fù)雜性?？臻g異質(zhì)性無所不在，而且因尺度而異，這使尺度推繹過程更加復(fù)雜；地表系統(tǒng)是一個自然等級系統(tǒng)，在該系統(tǒng)內(nèi)不同尺度上的主導(dǎo)過程不同，在一種尺度下空間變異的噪聲(noise)成分，可在

7、另一較小尺度下表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)性成分，不同尺度間的變化存在明顯的尺度效應(yīng)；生態(tài)學(xué)系統(tǒng)內(nèi)同一尺度或不同尺度上的組分之間的非線性關(guān)系和反饋?zhàn)饔檬欠浅Ｆ毡榈?，非線性常常導(dǎo)致復(fù)雜系統(tǒng)的不穩(wěn)定性和不可預(yù)測性，例如，在不同尺度之間多不存在簡單的線性關(guān)系，一個尺度上的模型往往不能通過簡單的線性推繹而得出另一個尺度的模型，因而相應(yīng)的尺度推繹模型必然也表現(xiàn)為非線性特征。第三，尺度推繹結(jié)果誤差來源的多樣性、研究結(jié)果的不確定性(uncertainty)及驗證的困難性等也在一定程度上增加了尺度推繹研究的復(fù)雜程度。4 尺度推繹的途徑和方法由于生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，尺度推繹往往采用數(shù)學(xué)模型和計算機(jī)模擬作為其重要工具。在同一尺度域中

8、，由于過程的相似性，尺度推繹容易，模型簡單適宜，預(yù)測的準(zhǔn)確性高；而跨越多個尺度域時，由于不同過程在不同尺度上起作用，尺度推繹則必然復(fù)雜化。如何進(jìn)行尺度推繹呢？4.1尺度上推wu和li將尺度上推的方法歸納為兩大類：基于相似性原理的推繹方法和基于動態(tài)模型的推繹方法。4.1.1 基于相似性原理的推繹方法基于相似性的尺度上推方法大量應(yīng)用于地球物理和生物學(xué)，根植于相似性或自相似性的概念和原理。通常用相對較簡單的數(shù)學(xué)或統(tǒng)計函數(shù)式表示，但它所基于的過程和機(jī)制可能是相當(dāng)復(fù)雜的?；谙嗨菩栽淼耐评[方法包括量綱分析和相似性分析，傳統(tǒng)的異速生長學(xué)以及空間異速生長學(xué)（spatial allometry）方法?？臻g異

9、速生長學(xué)中的自變量是空間尺度，而不是個體大小或生物量；相似性或自相似性原理應(yīng)用于空間系統(tǒng)(如棲息地，景觀等)，而不是單個生物體。一般認(rèn)為，異速生長學(xué)意味著系統(tǒng)中存在單個的尺度推繹過程，但生態(tài)系統(tǒng)是物理、化學(xué)、生物和社會經(jīng)濟(jì)過程的綜合體，將簡單的自相似性原理應(yīng)用于所有這些過程是不可能的。因此，由統(tǒng)計方法得到的異速生長學(xué)所基于的過程和機(jī)制是需要深入探討的問題。雖然異速生長學(xué)通常表示為冪函數(shù)，也有一些研究者將冪律作為基本的通用規(guī)律或尺度不變理論，但在真實景觀中，這種尺度推繹關(guān)系通常僅適于有限的尺度范圍(同一個尺度域內(nèi))，因為大多數(shù)景觀的格局和過程表現(xiàn)出多尺度域，在跨越不同尺度域時作用機(jī)制發(fā)生變化，以

10、致于尺度推繹關(guān)系也發(fā)生變化。然而，無論如何， 異速生長學(xué)(尤其是空間異速生長學(xué))是一種很有價值的生態(tài)學(xué)尺度推繹方法。4.1.2 基于動態(tài)模型的推繹方法與基于相似性的尺度上推方法比較，基于動態(tài)模型的尺度上推方法不受相似性和尺度不變假設(shè)的制；不受數(shù)學(xué)表達(dá)的限制；能夠明確地考慮動態(tài)過程及其相互作用和機(jī)制；能以空間顯式的方式聯(lián)系格局和程；能夠處理異質(zhì)結(jié)構(gòu)和瞬變動態(tài)；能夠涉及更多的研究領(lǐng)域和內(nèi)容。動態(tài)模型可能是確定型或隨機(jī)型模型，可能以數(shù)學(xué)上顯式的形式(如微分或差分方程)表示，也可能以數(shù)學(xué)上非顯式的形式(如反映相關(guān)關(guān)系或規(guī)律的模擬式)表示。使用動態(tài)模型的跨尺度信息轉(zhuǎn)換通常要改變模型的參數(shù)、輸入變量、狀態(tài)

11、變量、輸出變量或模型關(guān)系式，或者要建立多尺度相互作用模型。在尺度上推法中，僅進(jìn)行兩步上推，即從最小的空間粒度單元直接到最大的空間幅度，沒有考慮景觀的多尺度性和多等級結(jié)構(gòu)，空間粒度的選擇比較任意。對一個具有多等級結(jié)構(gòu)、跨多尺度域的復(fù)雜異質(zhì)景觀來說，這種尺度上推法只適用于小范圍內(nèi)(同一等級層次內(nèi)部或相鄰等級層次之間)，而且空間粒度的大小可能與所研究過程或格局的特征尺度并不相符。對于等級系統(tǒng)中跨尺度的上推，wu（1999）提出了等級斑塊動態(tài)尺度推繹策略，簡稱“云梯尺度推繹途徑”(extrapolation along a scaling ladder)。它包括以下3個步驟：確定合適的斑塊等級，觀察并

12、建立圍繞核心層次的格局和過程模型，跨尺度域逐級外推。這一途徑提供了跨尺度推繹的概念框架和思想指導(dǎo)，從而增強(qiáng)了跨尺度信息轉(zhuǎn)換的可行性和準(zhǔn)確性。已經(jīng)證明，這種途徑在景觀格局和過程的尺度推繹中非常有用，并有望成為尺度推繹的范式之一。然而，如果要從細(xì)胞層次直接上推到全球?qū)哟危词故怯斜匾脑?，也是極為困難或完全不可能的。4.2尺度下推wu和li還對尺度下推的各種方法作了總結(jié)。簡略地說，尺度下推往往涉及將大尺度上（或粗粒度）的信息加以細(xì)?；?，從而估計出某一特定區(qū)域單元內(nèi)部的小尺度格局。尺度下推常常要用到隨機(jī)或概率方法，同時輔以小尺度的附加信息。這些方法通?？煞譃閮纱箢悾航?jīng)驗型統(tǒng)計學(xué)途徑和嵌套動態(tài)模型途徑

13、。5 尺度推繹結(jié)果的不確定性分析由于觀測和取樣的誤差、空間的異質(zhì)性、變量之間的非線性關(guān)系、數(shù)據(jù)的多樣性、可靠數(shù)據(jù)的缺乏、模型結(jié)構(gòu)(包括模擬式、參數(shù)和驅(qū)動變量)及尺度推繹技術(shù)上的問題，無論采用什么尺度推繹方法，其結(jié)果總會存在不確定性。來源于這些不同因素的誤差可能發(fā)生繁衍，從而對尺度推繹結(jié)果的精度產(chǎn)生非線性影響。然而，在生態(tài)學(xué)尺度推繹中，不確定性分析或精度評價一直未受到重視。通常情況下，并不清楚尺度推繹結(jié)果的精度到底如何。到目前為止，有關(guān)這一問題的研究仍然極少，幾乎很難找到有關(guān)尺度推繹結(jié)果的不確定性、誤差或精度方面的空間分析文獻(xiàn)。很難想象，不進(jìn)行不確定性分析，僅憑直覺就能判斷所得的尺度推繹結(jié)果是否

14、有價值，是否能夠反映所研究景觀的實際特征。為了減少這種判斷上的盲目性，應(yīng)該將不確定性分析作為尺度推繹過程的一個重要組成部分。生態(tài)學(xué)研究和環(huán)境決策促使對大尺度模擬和尺度推繹的日益關(guān)注，因此，理解、定量和降低尺度推繹結(jié)果的不確定性也已經(jīng)變得越來越重要。尺度推繹結(jié)果的不確定性分析包括定量各種來源的不確定性、評價尺度推繹方法本身的局限性和不確定性對結(jié)果的影響、評價誤差繁衍、評價所使用模型和數(shù)學(xué)表達(dá)式的適合性、識別模型中的重要因子。根據(jù)產(chǎn)生不確定性的來源，一些不確定性能被定量和降低(如觀測和取樣上的誤差)；一些能被定量，但很難降低(如數(shù)據(jù)的多樣性)；而其它甚至不能被定量(如模型結(jié)構(gòu)的不確定性)。無論如何

15、，都應(yīng)該盡可能地定量或降低一些重要的誤差。尺度推繹的準(zhǔn)確性或不確定性可以用概率分布、方差、變異系數(shù)、置信水平、誤差平均平方根(rmse)等來表示。6 尺度推繹注意的問題但是這些轉(zhuǎn)換方法還遠(yuǎn)不夠完善，也沒有建立一套成熟的尺度轉(zhuǎn)換規(guī)則，僅可從以往大量的研究結(jié)果得出幾個尺度間推測的有效原則：第一，在同質(zhì)空間中尺度變化容易被忽略，而在異質(zhì)性空間則容易被注意到。只有當(dāng)研究區(qū)域的研究特征是同質(zhì)的時，平均動態(tài)才能被推廣到更大范圍中去。第二，只要主要過程和限制條件不變，分維學(xué)理論認(rèn)為在某些條件下，數(shù)量可以在尺度間轉(zhuǎn)換。第三，當(dāng)空間異質(zhì)性與非線性動態(tài)同時存在，并存在限制條件發(fā)生較大改變的可能性時，推測就是一個很

16、難的問題，也是現(xiàn)在亟待解決的問題。參考文獻(xiàn)：1 岳天祥，劉紀(jì)遠(yuǎn).生態(tài)地理建模中的多尺度問題m.第四紀(jì)研究，2003.23(3):256-261.2 j. wu， k.b. jones， h. li，etc.scaling and uncertainty analysis in ecology: methods and applications. netherlands.2006.3 呂一河，傅伯杰.生態(tài)學(xué)中的尺度及尺度轉(zhuǎn)換方法j.生態(tài)學(xué)報，2001.21(12)：2096-2105.4 劉志民，張樂.試論荒漠化過程、空間格局與尺度的關(guān)系.現(xiàn)代生態(tài)學(xué)講座()學(xué)科進(jìn)展與熱點(diǎn)論題.高等教育出版社，2

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